一文浅谈如何进行开关电源系统的安全测量

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一文浅谈如何进行开关电源系统的安全测量

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【导读】要确保即将实现的SMPS设计可靠性、稳定性、兼容性、安全性，测量是唯一的办法。SMPS测量分为三个主要部分：有源器件测量、无源器件测量（主要是磁性元件）以及电源质量测试。有些测量可能要面对浮动电压和强电流;有些测量需要大量数学分析，才能得到有意义的结果。电源测量可能很复杂,特别是开关电源系统测量中安全技术为引人注目什么呐?应先从当今开关电源（SMPS）技术发展趋势与开关电源没计中的挑战说起。

电源几乎对于每种外接电源的电子产品都必不可少，开关电源系统（SMPS）已成为数字计算、网络、通信系统中的主流结构。开关电源的性能（或者故障）就可能对一个昂贵的大型系统产生重要影响。
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开关电源技术发展趋势的特点是：效率越来越高;功率密度越来越高;瞬时负荷;低电跃,高电流;宽带供电技术及符合EN6100003-4 A14标准。
　　
0 L5 a) o, Z0 Z+ l  n开关电源没计中面对提升开关电源效率，降低开关损耗;最大限度地降低磁性器件的功率损耗;需要更快的控制环路响应。必须提高开关电源系统可靠性，要有海量数据分析并符合宽带技术标准;需要简便易用、可靠的工具，以及定位问题。

开关电源系统
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" R7 r( G/ f3 N% k! ?0 J大多数现代系统中主流的直流电源体系结构是开关电源系统，因为它能够有效地应对变化负载。典型SMPS的电能“信号通路”包括无源器件、有源器件和磁性元件。SMPS尽可能少地使用损耗性元器件（如电阻和线性晶体管），而主要使用（理想情况下）无损耗的元器件：开关晶体管、电容和磁性元件。
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  I# O2 ~& d& d, QSMPS设备有一个控制部分，其中包括脉宽调节器、脉频调节器以及反馈环路等。控制部分可能有自己的电源。图1是简化的SMPS示意图，图中显示了电能转换部分，包括有源器件、无源器件以及磁性元件。

  N* S; {) w% U* I0 b: F图1：开关电源简化示意图　

SMPS技术使用了金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）与绝缘栅双极晶体管（IGBT）等功率半导体开关器件。这些器件开关时间短，能承受不稳定的电压尖峰。同样重要的是，它们不论在开通还是断开状态，消耗的能量都极少，效率高而发热低。开关器件在很大程度上决定了SMPS的总体性能。对开关器件的主要测量包括：开关损耗、平均功率损耗、安全工作区等。

开关电源系统的安全测量
　　
工业电源的安全测量应包括：测量高电压和高电流，测量三相电电路，处理浮动设备或具有不同接地的没备，检定数字控制电路，检定功率电子器件的瞬时功率分析、波形分析、相位角及开关损耗等均应符合行业标准和法定标准。
　　
为什么不能使用传统示波器测量
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以交流供电的传统示波器是以“地为参考点的测量”，其含义是：交流供电的示波器必须与地线相接，探头的地线与示波器所有通道的参考点相连，从而接到地电位。而传统交流供电示波器“差分浮地测量”危险!
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2 A  h0 M( E3 d* J+ `! k5 f* v! h我们测量的Vc-d=（Va-b+V地环路电压）-V地环路电压（共模）。
　　
/ @- W6 G8 U. x/ }通过用切断标准三头AC插座地线的方法或使用一个交流隔离变压器，切断中线与地线的连接。将示波器从保护地线浮动起来，以减小地环路的影响。这种方法其实并可行，因为在建筑物的布线中其中线也许在某处已经与地线相连。是不安全的测量方法，会带来人身伤害和仪器和电路损坏!
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4 y/ r7 Y8 f! ~4 K6 O7 v不能使用传统示波器测量技术的原因如下：
　　
分布电容和电感降对待测点带来超过100pf的感性负载，可能造成电路损坏!
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, u$ k) I: b# a8 \故不可用剪断示波器接地线的方法迸行差分测量!也不可使用隔离变压器进行差分测量!
　　
分布电容和电感还可能带来原本没有的振铃! 见图2（a）所示。

图2a：寄生电感和电容引起振荡会使信号失真，导致测量无效　　

示波器在没有接地的情况下,其电磁兼容特性降达不到设计要求，可能干扰待测电路或受到空间电磁波的干扰，影响测量结果!
　　
大多数示波器的”信号公共线”终端与保护性接地系统相连接，通常称之为“接地”。这样做的结果是：所有施加到示波器上，以及由示波器提供的信号都具有一个公共的连接点。该公用连接点通常是示波器机壳，通过使交流电源设备电源线中的第三根导线接地线，并将探头地线连到一个测试点上。这是一种不安全的测量行为。此行为会将仪器底盘（不再接地）的电压提高为与探头地线相连的测试点电压相同。触摸仪器的用户就会成为接地的最短路径。图2（b）说明了这种危险的情况。

, {& e3 o2 B' G* o& R图2b：示波器底盘上出现危险电压的浮动测量

图2b中的V1是高于真实接地电压的“偏置”电压，而VMeas是待测电压。根据被测单元（DUT）的不同，V1可能为数百伏，而VMeas则可能为几分之一伏。以此方式浮动机壳接地端会对用户、DUT和仪器构成威胁。
　　
3 M* m+ C1 F4 I# {, I. w此外,它违反了工业健康和安全规定，且获得的测量结果也差。而且交流供电仪器在地面浮动时会出现一个大的寄生电容。因此，浮动测量将受到振荡性的破坏，即图2（a）所示的振铃出现。

2 n) S% |5 L# g9 T) ^" M浮动测量新方法的引入
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所谓“浮动”测量，即测量的两个点都不处于接地电位，该测量也常称为差分测量。
　　
/ @& `3 s) }5 t% B“信号公共线”与地之间的电压可能会升高到数百伏。“浮动”参考接地的示波器是通过使接地系统无效或使用隔离变压器，将“信号公共线”从地面断开。为此需要通过具有内置隔离通道技术的TPS2000系列示波器,使得工程师和技术人员可以快速、准确、经济地进行多通道隔离测量。
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& ~$ Q. A, Q& E1 b) D8 h. T因为浮动测量技术使机壳、机柜和连接器等仪器可接触部件具有探头地线连接点的电势，而该技术是危险的，不仅是因为它升高了示波器上存在的电压（操作人员可能会遭到电击），还因为它向示波器的电源变压器绝缘体上累积了应力，虽然该应力不会立即引发故障，但是可能在将来引发危险的故障（电击和火灾），即使将示波器恢复至正常地接地操作也无法挽回。这就有可能造成不仅浮动参照接地的示波器很危险，而且会使测量方法不准确，即该电势的误差是由于在地线连接点处直接将示波器机壳的总电容与被测电路相连所致。于是又需采用安全放在第一位的隔离通道（LsoIated ChanneI）技术作为解决方案。
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隔离通道技术
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在当今使用的宽带示波器系统中，最常用的隔离方法是双路方法，将输入信号分为两个信号：低频和高频。该方法需要每个输入通道都具有昂贵的光耦合器和宽带线性变压器。
　　
使用创新的隔音技术，取消了双路方法，而对每个从直流到示波器带宽的输入通道仅使用一个宽带信号通路。通过该技术，可以提供第一批具有四个输入 （1solated Channel）、低成本并使用电池供电的示波器，该电池可供示波器连续工作八个小时。对于需要进行四通道隔离测量，并希望获得由低成本并使用电池供电的示波器提供的性能和易用性的工程师和技术人员来讲,选择内置有隔离通道技术的TPS2000系列示波器是理想工具。
　　
- ]. H: ~4 R& H图3说明了隔离通道的概念。

0 [; }0 I3 @2 o2 _# c! x图3：说明了隔离通道的概念

图3 将安全放在第一位的IsolatedChannel技术，可以快速、准确、经济地进行多通道隔离测量
　　
四隔离通道输入体系结构向”正”输入和”负基准”导线（包括外部触发输入）提供了真实且完整的通道间隔离。
　　
电源控制电路（例如电机控制器、不间断电源和工业设备）中的浮动测量要求最为严格。在这些应用领域中，电压和电流可能大到足够对用户和测试设备造成威胁。
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要保证测量质量，隔离通道技术是首选解决方案，并且该技术始终将安全放在第一位。如果存在较大的共模信号，能有效的通道与通道隔离将寄生效应的影响降到最低，测量系统的容量越小，那么它与环境的交互影响也就越小。完全隔离的电池供电仪器本身并不涉及接地问题。每个探头都具有一条与仪器底盘隔离的”负基准”导线，而不是使用一条固定的地线。
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而且，所有输入通道的“负基准”导线都彼此隔离。这是避免短路危险的最佳方法。它还在最大程度上降低了信号弱化阻抗，而该阻抗会影响单点接地仪器中的测量质量。
　　
无论使用电池电源还是通过交流电源适配器连接到交流电源，TPS2000系列示波器的输入始终是浮动的。因此，这些示波器与传统示波器所体现的限制并不相同。传统示波器侧重于性能（带宽，多功能性），牺牲了进行浮动测量的能力。

电源质量测量
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根据SMPS组成,它的测量可分有源器件（开关元件）测量、元源器件（磁性元件） 测量、输入交流供电测量及电源质量测量,值此仅对电源质量测量作介绍
　　
6 t0 U, v# e2 O5 w! Y' T6 G& ?( P6 ]电源质量不仅仅取决于发电机。它还取决于电源的设计和制造以及最终用户负载。电源的电源质量特征定义了电源的“健康”状况。
　　
现实的电线从来不会提供理想的正弦波，线路上总是有一些失真和杂波。开关电源给供电电源施加了一个非线性负载。因此，电压和电流波形不是完全相同的。电流在输入周期的某一部分被吸收，使输入电流波形上产生谐波。确定这些失真的影响是电源工程的一个重要部分。
　　
为了确定电源线上的功率消耗和失真，应该在输入阶段进行电源质量测量，如图4为所示的电压和电流测试点。

图4：开关电源电源质量测试点示意图

图4 开关电源电源质量测试点示意图。电源质量测试必须使用同一时刻的输入VAC和IAC读数
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2 h: O! {- I7 r, _, G$ o电源质量测量包括：有功功率;视在功率或无功功率;功率因数;波峰因数;根据EN61000-3-2标准进行的电流谐波测量;总谐波失真（THD）。
　　
; \" [% R# i% v% t) G3 S应用具有运行软件包（如TDSPWR3）的数字示波器并行电源质量测量。
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( z  w$ T1 Z/ G3 m运行软件包（如TDSPWR3）的数字示波器，如TDS5000B系列是替代传统的功率表和谐波分析仪进行电源质量测量的有力工具。
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使用数字示波器比传统工具有明显的优势。仪器必须能捕获到基波的高达50次谐波分量。根据各地使用的标准，电源工频频率通常是50Hz或60Hz。在当今的高速示波器中，过采样确保能够详细地（高分辨率）捕获快速变化的事件。相反，由于响应时间相对较长，传统功率表可能忽略信号细节。即时在非常高的采样分辨率下，示波器的记录长度也足以采集整数个周期。
　　
软件工具能加快测量过程，并将设置时间降至最低。大多数电源质量测量都能由示波器上运行的功能完备的电源测量软件自动进行，数秒中内就能完成漫长的过程。示波器减少了手工计算，成为非常通用高效的功率表。
　　
数字示波器探头也有助于进行安全、可靠的电源测量。用于电源应用的高压差分探头是观察浮动电压信号的首选工具。
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电流探测需要特殊的考虑。有几种电流探头结构的实现：交流电流探头基于电流互感器（CT）技术,CT探头是非插入的，不能感应信号中的直流分量，这可能会造成测量不准确;分流器,该设计要求切断电路，会在探头内部形成电压降，可能影响电源测量的准确性;交流/直流电流探头一般基于霍尔效应传感器技术,该设备以非插入方式感应交流/直流电流，能够用一个连接同时读取交流和直流分量。
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* v/ n6 M8 n4 i1 t当给一台数字示波器（如TDS5054B）配备了TDSPWR3软件时.它就变成了一个真正的自动电源测量平台。该软件自动设置示波器及其初始测量参数。如果需要，可以手工对这些设置进行细调。
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* t8 |' a, w1 U( m6 s图5显示了用TDSSOOOB系列示波器和TDSPWR3测量分析软件得到的电源质量和电流谐波读数。显示器显示了一系列丰富的测量，包括有功功率、视在功率、波峰因数、总谐波失真、功率因数、以及电流谐波的条形图显示。

+ K% n, \2 h$ n; W图5：用具有运行软件包的示波器TDS5000B电源质量测试结果

专业技术人员要面对SMPS高压和电流测量，必须解决测量中的安全性问题,即运行于具有潜在危险的浮动测量。对此,当今有多种可选技术或产品进行浮动测量,值此仅以内置具有IsoatedChanneI技术的TPS 2000宽带示波器为例作为解决方案, 即隔离和浮动测量功能+实验室示波器的性能+现埸通用+功率专用测量和分析,等于高的生产效率，那就是浮动测量新方法的应用，其特点是具有多功能性、准确性或经济性。

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看看如何进行开关电源系统的安全测量。